w procesach projektowania i symulacji

Transkrypt

1 Dr hab. inż. Feliks Chwarścianek, prof. WSG Bydgoszcz r. Instytut Informatyki i Mechatroniki Wyższa Szkoła Gospodarki w Bydgoszczy RECENZJA Rozprawy doktorskiej mgr. inż. Macieja Berdychowskiego pt. Zastosowanie modeli porowatych biomateriałów w procesach projektowania i symulacji Dla Rady Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej (Umowa DR-63/386/01/2014) 1. Przedmiot i zakres rozprawy Przedmiotem rozprawy doktorskiej jest opis możliwości zastosowania odpowiednio zaprojektowanych (szpilkowo-palisadowych) implantów kości uwzględniając cechy biomateriałów, odpowiadających (w przybliżeniu) strukturą, budową i właściwościami naturalnymi, biologicznym materiałom kościom. Przedstawiona rozprawa doktorska posiada charakter doświadczalny oraz projektowo badawczy. Zagadnienia badawcze dotyczą określenia związków modelowych (równań konstytutywnych) dla biomateriałów stosowanych w budowie implantów kości. Rozważania w tym zakresie dotyczą kości zwierzęcych, które są zbliżone swoją budową i właściwościami do kości ludzkich. W opracowaniu modeli matematycznych wykorzystano zależności modelowe dla drewna, jako anizotropowego materiału porowatego, dla którego względnie łatwo można przeprowadzić stosowne eksperymenty badawcze. W oparciu o otrzymane wyniki można, wykorzystując analogię, podjąć próbę wyznaczenia odpowiednich zależności modelowych i parametrów materiałowych dla rzeczywistego materiału kości zwierzęcych, bardzo zbliżonych właściwościami do kości ludzkich. Zagadnienia projektowe, wykorzystując istniejące rozwiązania (rozdział 8), sprowadzają się do określenia zależności geometrycznych i związanych z nimi wielkości wytrzymałościowych i materiałowych w projektowanym złączu implantu z naturalną kością. Koncepcja złącza polega na wykorzystaniu palisady igłowej służącej do zagłębienia w kość, powodując możliwie małe deformacje kości oraz stwarzając możliwość jej (palisady implantu) trwałego mocowania przez zarastanie materiałem kostnym. Inspiracją do powstania projektu palisady igłowej endoprotezy jest opatentowana koncepcja dr. Rogali rozdział 8.4. Tak postawione zadanie badawcze prowadzi do sformułowania głównej hipotezy badawczej oraz tezy roboczej dotyczącej możliwości dopasowania szpilkowo-palisadowej endoprotezy do struktury porowato-gąbczastej kości (rozdział 5 i 8). 1

2 Rozdziały 9. i 10. zawierają główne dokonania naukowe i badawcze autora rozprawy. W wyniku opisanych dokonań możliwe stało się opracowanie wytycznych i zaleceń dotyczących projektowania nowego rodzaju endoprotezy szpilkowo palisadowej o większej wytrzymałości od stosowanych dotychczas. 2. Analiza treści i uwagi do pracy Praca (131 stron) składa się z 12. rozdziałów w tym obszerny spis literatury 167 pozycji, które obejmują formalnie i merytorycznie problematykę dysertacji. Rozdział 1., p.t. Konstrukcyjne materiały porowate, posiada charakter wstępu i wprowadzenia w zagadnienie stosowania materiałów porowatych w ogólności w technice oraz biomateriałów w medycynie. Rozdział 2., p.t. Modelowanie materiałów konstrukcyjnych, opisuje niektóre, ogólnie znane, elementarne modele jednowymiarowe właściwości materiałów z podaniem schematycznych analogów mechanicznych ich właściwości. W rozdziale tym podano podstawowe cechy i zależności dotyczące struktury i właściwości izotropowych materiałów porowatych. Rozdział 3., p.t. Cel i zakres pracy. W rozdziale syntetycznie i zwięźle podano zakres opracowania oraz cele wynikające z podjętej problematyki. Rozdział 4., p.t. Wybrane biomateriały o strukturze porowatej, dotyczy dwóch materiałów (drewno i kość) wykazujących podobne właściwości budowy, zwłaszcza w aspekcie anizotropii właściwości mechanicznych. W podrozdziale 4.1 p.t. Struktura i właściwości drewna, opisano i zilustrowano graficznie podstawowe cechy budowy i właściwości fizyczne drewna, zwłaszcza mechaniczne. Podrozdział ten posiada dwa podrozdziały, tj p.t. Mikroskopowa budowa drewna oraz p.t. Właściwości mechaniczne i fizyczne drewna, których nie umieszczono w spisie treści. Podrozdział 4.2 p.t. Struktura i właściwości mechaniczne kości, opisuje wyczerpująco i pokazuje na rysunkach oraz w tabelach, podstawowe parametry i cechy budowy tkanki kostnej, wykazującej budowę porowatą. Tu również, trzy podrozdziały merytorycznie istotne tj p.t. Budowa kości, p.t. Porowatość kości oraz p.t. Własności mechaniczne kości, pominięto w spisie treści. Rozdział 5., p.t. Badania doświadczalne cech geometrycznych i mechanicznych wybranych biomateriałów. Podrozdział 5.1 dotyczy badań eksperymentalnych drewna w celu wyznaczenia granicy plastyczności zależnie od kierunku ortotropii oraz warunków otoczenia (np. temperatury i wilgotności). W tym celu skompletowano stanowisko badawcze, na którym przeprowadzono stosowne próby wytrzymałościowe próbek drewna sosnowego. Uzyskane wyniki pozwoliły na wyznaczenie granicy plastyczności oraz stosownych współczynników anizotropii, wyniki przedstawiono w postaci wykresów i tabel. Wyznaczone 2

3 wielkości zostały wykorzystane w modelu matematycznym drewna jako materiału porowatego (rozdział 6). Podrozdział 5.2 dotyczy badań eksperymentalnych przeprowadzonych dla kości. Badania uwzględniały przede wszystkim rozkład struktury porowatej w kości (brak informacji literaturowych). Badania przeprowadzono dla kości udowej wieprzowej, z której wypreparowano odpowiednie próbki. Mikroskop skaningowy pozwolił na uzyskanie odpowiednich obrazów zgładów, co przedstawiono w pracy. Przeprowadzone pomiary wykorzystujące oprogramowanie do analizy obrazów umożliwiły wyznaczenie stosownych wielkości charakteryzujących porowatość kości (tabela 11). Następnie postawiono hipotezę, iż struktura szpilkowo palisadowa projektowanej endoprotezy powinna pasować do porowatej struktury kości gąbczastej. W konsekwencji sformułowano tezę badawczą dotyczącą możliwości wzajemnego dopasowania obu struktur, tj. porowatej kości i szpilkowo-palisadowej endoprotezy. Rozdział 6., p.t. Modele matematyczne wybranych struktur porowatych, opisuje modele dla drewna i dla kości. W podrozdziale 6.1, p.t. Model drewna jako ośrodka ortotropowego, sformułowano jednowymiarowy model będący kompilacją modelu Hooke a i Newtona, wykorzystywany do rozwiązywania zagadnień brzegowych dla materiału drewna. W modelu tym dla uproszczenia przyjęto stacjonarność, izotermiczność oraz brak historii deformacji. Dalej przedstawiono formułę modelową w postaci trójwymiarowej, uwzględniającą właściwości lepkosprężyste drewna wilgotnego, jednak modelu tego nie wykorzystano (zapewne ze względu na złożoność zależności ujętych w modelu wielkości). Wykonane obliczenia pozwoliły na wyznaczenie granicy plastyczności wzdłuż włókien oraz współczynników anizotropii dla drewna. Warunek plastyczności pozwala na określenie granicznego obciążenia drewna przy określonej wilgotności. W podrozdziale 6.2, p.t. Równania konstytutywne kości gąbczastej, dla kości porowatej traktowanej izotropowo, której pory wypełnione są lepkim i ściśliwym płynem międzykomórkowym (układ dwufazowy tkanki kostnej) sformułowano (wykorzystując teorię porosprężystości Biot a) ogólne zależności modelowe. Równania te przedstawiono we współrzędnych walcowych i po stosownych przekształceniach otrzymano układ czterech równań modelujących sprężysty materiał porowaty wypełniony cieczą (lepkosprężystą?). Równania te mogą, po uzupełnieniu o warunki brzegowe, być wykorzystane do rozwiązywania zagadnienia wyznaczenia składowych tensorów naprężenia. Rozdział 7., p.t. Przykłady określania nośności granicznej elementów drewnianych, podaje przykładowe sposoby uplastyczniania materiału porowatego poprzez zgniot wierzchniej warstwy w wyniku np. walcowania. W rozdziale tym pokazano na wykresach zmiany chropowatości walcowanego drewna oraz omówiono efekty umocnienia materiału zgniotem, ponadto określono warunek plastyczności w postaci równania dla walcowanego drewna (niestety nie opatrzony stosownym numerem porządkowym). Rozdział 8., p.t. Rozwiązanie zagadnienia brzegowego dla kości, w początkowych podrozdziałach (8.1 i 8.2) traktuje o zagadnieniu endoprotezoplastyki, głownie w aspekcie 3

4 istniejących rozwiązań stosowanych w medycynie. W podrozdziale 8.3 omówiono materiały wykorzystywane w konstrukcji endoprotez ilustrując odpowiednie ich właściwości i parametry w 8 tabelach. W podrozdziale 8.3 znajdują się istotne merytorycznie podrozdziały Biomateriały metaliczne oraz Biomateriały ceramiczne, te podrozdziały nie znalazły się w spisie treści. W podrozdziale 8.4 opisano nową koncepcję endoprotezy THRA (patent dr. Rogali) polegającą na mocowaniu implantu w kości palisadą szpilek, zapobiegając ewentualnym wzajemnym przemieszczeniom protezy i kości w stawie biodrowym. W podrozdziale 8.5 przedstawiono koncepcję trzpieniowego zespolenia implantu z kością. Podrozdział 8.6 zawiera obliczenia mające na celu wyznaczenie nośności granicznej połączenia kości z materiałem implantu. W obliczeniach wykorzystano model kości porowatej i gąbczastej określony w podrozdziale 6.2, zakładając stosowne uproszczenia, pozwalające na otrzymanie efektywnych rozwiązań układu równań modelowych. Rozdział 9., p.t. Projektowanie wybranych cech z zastosowaniem symulacji numerycznych, dotyczy cech złącza szpilkowo palisadowego zarówno w aspekcie wielkości geometrycznych systemu mocowania endoprotezy jak i właściwości materiału endoprotezy i materiału kostnego. Podrozdział 9.1 określa konsekwencje braku opisu konkretnych cech geometrycznych w patencie endoprotezy THRA, będącej inspiracją do opracowania własnego projektu endoprotezy. W podrozdziale tym wyznaczono geometrię ostrosłupów szpilkowych posiadających największą powierzchnię kontaktu z materiałem kości. W wyniku przeprowadzonej analizy (opracowano wykresy stosownych zależności geometrycznych) stwierdzono, że największą powierzchnię kontaktu (adhezji) powierzchni bocznej, posiadają ostrosłupy palisady o podstawie trójkątnej. Drugą cechą geometryczną jest układ (szyk) ostrosłupów palisady; z przeprowadzonej analizy wynika, iż najkorzystniejsze jest ułożenie ostrosłupów trójkątnych w prostokącie (tzw. szyk przystający), następnie szyk przystających ostrosłupów o podstawie kwadratowej i dalej szyk koncentrycznych ostrosłupów kwadratowych. Podrozdział 9.2 dotyczy opracowania numerycznego modelu procesu zagłębiania palisad endoprotezy w gąbczastą i porowatą kość (model implantu dla MES i model materiału kości). Opracowany model poddany został weryfikacji doświadczalnej i dalej modyfikacji dla większej zgodności wyników eksperymentalnych z numerycznymi. Jest to zasadnicze rozwinięcie i uzupełnienie postawionej hipotezy badawczej. Przeprowadzone badania eksperymentalne wymusiły odpowiednią korektę geometrii palisad oraz procesu ich zagłębiania w materiał kostny i do przeprowadzenia dalszych badań. W ich wyniku uzyskano charakterystykę zmienności siły wciskania igłowych palisad w kość, w postaci wykresu oraz tabelarycznych porównań wyników eksperymentów z wynikami 4

5 symulacji numerycznej. Co było głównym celem pracy badawczej o charakterze promocyjnym (rozprawa doktorska). Otrzymane wyniki pozwoliły na opracowanie Rozdziału 10. p.t. Sformułowanie wytycznych dla procesu projektowania biomateriałów. Tytuł rozdziału jest nieadekwatny, opracowane wytyczne powinny dotyczyć: procesu projektowania endoprotezy. W rozdziale tym opisano dokonanie odpowiedniej korekty (rozłożenie ostrosłupów) modelu implantu palisadowego i przeprowadzono badania symulacyjne procesu zagłębiania palisad w kość. Otrzymane wyniki (pokazane w tabeli i 6. rysunkach) pozwoliły na opracowanie stosownych wytycznych i zaleceń do procesu projektowania endoprotezy palisadowej. Rozdział 11. Uwagi końcowe i wnioski, zawiera podsumowanie przeprowadzonych prac wnioski zostały sformułowane na bieżąco, zwłaszcza w rozdziałach 9 i 10, ich syntezę zawarto w niniejszym rozdziale. Istotę wytycznych projektowych zawierają dwa ostatnie wnioski ze str Bibliografia stanowi nienumerowany końcowy rozdział rozprawy, zawiera 167 pozycji. Zawartość obejmuje tematykę wykorzystywaną w pracy, sposób sporządzenia spisu literatury jest poprawny zaś dobór merytoryczny pozycji wskazuje na przygotowanie naukowe i umiejętności autora. Uwagi formalne: Rozdział 2. zawiera usterki dotyczące brak kilku odsyłaczy do literatury przy rysunkach 1 7 zaczerpniętych z literatury. W rozdziale 4. tabele 3, 6, 7 wykraczają rozmiarem poza zakres szerokości pola druku Występujące drobne uchybienia pisarskie i redakcyjne, nie utrudniają percepcji. W rozdziale 6. rys. 30 nie posiada odsyłacza do literatury, ponadto wzór 6.5 wykracza poza pole druku. Treść rozdziału 7. niewiele wnosi do rozważań dotyczących zasadniczego problemu badawczego rozprawy, dlatego można uznać go za zbędny. Rozdział 9 zawiera na str. 97 błąd dotyczący skrótowego zapisu słowa tysiąc (jako tyś. ). W analizowanej pracy poza wymienionymi uwagami występują jedynie drobne usterki pisarskie i redakcyjne, nie wpływające na zasadniczą ocenę naukowej zawartości merytorycznej rozprawy. 5

6 3. Wnioski końcowe Rozprawę doktorską, którą otrzymałem do recenzji oceniam bardzo pozytywnie. Występujące i zauważone usterki, mają charakter jedynie uchybień, nie rzutujących na merytoryczną zawartość rozprawy. Merytoryczna treść, jest bardzo znacząca dla aktualnych działań w projektowaniu i budowie odpowiednich implantów kości. Praca posiada istotne walory poznawcze, a zwłaszcza użytkowe. Autor doktorant posiana dużą wiedzę i umiejętność jej wykorzystania w działalności badawczej i naukowej oraz wdrożeniowej. Zastosowana metodologia postępowania w realizacji pracy jest prawidłowa i odpowiada ogólnie przyjętym standardom. W konkluzji stwierdzam, że rozprawa doktorska, której autorem jest mgr inż. Maciej Berdychowski, p.t. Zastosowanie modeli porowatych materiałów w procesach projektowania i symulacji odpowiada wymaganiom i warunkom ustawy o stopniach i tytule naukowym i wnoszę do Rady Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu o dopuszczenie rozprawy do jej publicznej obrony.. Feliks Chwarścianek 6